卡型機艦面共振的特點與預防分析

費景榮，李冀鑫，雷衛東

(海軍航空大學 航空基礎學院，山東 煙臺 264000 )

0 引言

艦面共振是指艦載直升機在艦上起降過程中，旋翼擺振后退模態與機體在起落架上的模態耦合產生的不穩定自激振動現象。它會造成機體損傷和人員傷害。2013年，某部一架卡型機發生了艦面共振事故；此前，印度一架卡-31也發生艦面共振事故。兩起事故表明，出現艦面共振后留給飛行員處置的時間約3s～4s。要在如此短的時間內做出正確判斷并獨立完成規定的處置動作，要求極高，難度很大。因此，有效地預防艦面共振就成為保證安全的關鍵。

鑒于卡型機的有關資料沒有專門針對艦面共振的預防措施，地面共振的預防僅限于維護方面，且維護沒有考慮到載艦、海況特點及操縱，本文就上述問題進行初步分析。

1 直升機的艦(地)面共振簡介

1.1 艦(地)面共振的基本機理

艦面共振與地面共振的機理相同，其內因是直升機存在兩個相互關聯的振動系統：槳葉擺振后退型擺振系統和機身-起落架振動系統。如果上述兩個振動系統的頻率接近或相同，且系統阻尼不足時，在外界擾動激勵下，就進入旋翼擺振與機體相互激振加劇狀態，旋翼擺動能量不斷積累(來源是發動機)，直至旋翼、機體損壞為止。可見，發生地面共振的四個條件是：外界擾動、兩振動系統頻率接近或相同；振動阻尼不足、振動能量足夠。

1.2 艦(地)面共振的鮮發性、偶發性特點

艦(地)面共振是直升機研制階段需重點解決的問題之一，因而定型后的直升機都可以保證在正常條件下飛行不會發生，屬于小概率事件，具有鮮發性特點。據統計，除卡型機外，我陸、海、空軍現役其它直升機未發生過地(艦)面共振。

其次，艦面共振的發生需要同時滿足上述四個條件，涉及因素多，變化多。只有飛行環境、裝備狀況和飛行操縱等因素相互影響，滿足了所有條件才能發生共振。因而，直升機艦面共振又有偶發性特點。

2 卡型機艦面共振特性的弱點

受各種設計參數權衡的影響，各型直升機避免地(艦)面共振的轉速裕度和阻尼裕度存在差別，艦面共振特性也各有特點。如卡型機已發生兩起艦面共振事故，直五、“云雀”直升機也曾發生多起地面共振，但我陸、海、空軍現役其他直升機從未發生過。卡型機艦面共振特性有如下弱點。

2.1 卡型機艦面共振特性相對較差

2.1.1 摩擦式減擺器的阻尼特性較差

阻尼特性是影響地(艦)面共振的一個基本因素。卡型機的共軸雙旋翼結構不便于設置槳葉液壓減擺器，因而采用了摩擦式減擺器。圖1、圖2是兩類減擺器阻尼特性示意圖。可見，摩擦式減擺器的當量線性阻尼系數隨旋翼擺振幅度的增加而迅速減小，即旋翼的阻尼裕量較小，艦面共振特性相對較差。

圖1 摩擦式減擺器當量線性阻尼系數

圖2 液壓式減擺器當量線性阻尼系數

2.1.2 無魚叉不利于增大接艦后機體的滾轉剛度和阻尼

研究表明：魚叉系留時，起落架壓縮量增大，機體的滾轉剛度和阻尼增大，發生艦面共振的動不穩定轉速區域減小，有利于預防艦面共振[1]。卡型機無魚叉裝置，不利于預防艦面共振。

2.2 復雜海況下卡型機接艦狀態變化明顯不利于預防艦面共振

無論單旋翼還是共軸式直升機，在復雜海況特別是側風條件下著艦下降，距甲板較近時，受甲板渦流和“艦面效應”的影響，都會出現搖晃。因為，如圖3，迎風一側甲板上空的部分旋翼外部受到較強上洗流、側洗流影響；同時，背風一側甲板上空的部分旋翼則受到較強的渦流負壓區的影響[2-3]，易加劇直升機搖晃；其次，在搖晃過程中，左右兩側的部分旋翼距甲板距離及“艦面效應”的變化，也加劇直升機搖晃。

但與單旋翼直升機比，由于共軸式直升機有兩副旋翼，拉力特性好，且旋翼對重心的力臂較大，對甲板渦流和“艦面效應”響應更明顯，搖晃更劇烈。其次，卡型機機身扁平、雙垂尾、雙旋翼、機身重心高，對側風響應也明顯，也加劇了復雜氣象條件下著艦狀態的變化。據飛行員反映，在復雜海況下，卡型機在甲板較低的艦上降落時，狀態不穩的現象較常見。其中，最典型的事例是2012年5月30日，我海軍一架卡型機在著艦過程中，因海況較差，直升機劇烈搖晃，連續三次才著艦成功，曾引起廣泛關注。而直九、直八直升機著艦狀態不穩的現象較少。需要說明的是，據卡型機兩起艦面共振的視頻可以看出，其直接誘因都是接艦狀態不穩、帶坡度重接艦(共振動態也相同)。

圖3 有側風時甲板上空渦流示意圖

2.3 卡型機艦面共振處置難度較大

因卡型機從著艦到劇烈振動，僅有3s～4s，而其發動機停車手柄在中央操縱臺左側，由左座飛行員操縱。當振動時，飛行員右手不能離開駕駛桿以控制狀態，防止翻倒，左手操縱總距桿，要在3s～4s內正確判斷艦面共振并通過左手獨立完成規定的關車和上提總距桿動作，要求極高，難度很大。且直升機進入劇烈振動時，飛行員行為能力明顯下降，無法有效處置，對某當事機組詢問的答案證實了這一點。

此外，直升機正常著艦時往往存在一定振動，艦不穩定時振動較明顯且無固定規律，這就給區分正常振動和艦面共振帶來較大難度。卡型機現有技術資料缺乏明確的艦面共振判定依據，加之艦面共振屬小概率事件，飛行員沒有處置經驗，飛行員要在緊急情況下迅速判斷出艦面共振很困難。根據某事故卡型機著艦后戰術指揮長給出系留手勢和對當事機組的詢問，當事機組在振動初期沒有意識到發生共振。

卡型機發生艦面共振后判斷、處置的難度較大，決定了預防艦面共振是保證安全的關鍵。

3 兩起卡型機艦面共振過程分析

從卡型機的兩起艦面共振事故視頻可知，其接艦動態具有共同特點：都表現為直升機著艦下降中出現了明顯前后左右搖晃；接艦前直升機右傾、下俯，致使帶右坡度右主輪先重接艦，接著右前輪、左前輪、左主輪接艦；接艦后開始小幅振蕩，約6s后振動明顯增強，機頭明顯順時針偏轉，機身左側移動。約10s后機身損毀、槳葉折斷。

可見，接艦狀態不穩、帶坡度、俯角單輪重接艦是艦面共振的直接原因。其中，“右主、右前、左前、左主輪依次接艦與機頭順時針偏轉”的動態具有共性，其對艦面共振的誘發過程可大致分為激起振動、小幅共振、振動發散三個階段。

1)激起振動：“右主、右前、左前、左主輪依次重接艦”，必然引起與接艦機輪相同位置處的槳葉附加的向下揮舞與后擺，依次產生附加的離心激振力與振動；由于滿足艦面共振的頻率是一個范圍，因而若機體振動頻率在變化中接近旋翼激振頻率，兩者就會相互激勵，激起小幅振動。

2)小幅振動：由于軸流狀態共軸式直升機的下旋翼受上旋翼的干擾，工作環境惡劣，旋轉阻力與反作用力矩大于上旋翼[4-5]，因而在小幅振動過程中，隨著旋翼運動的混亂加劇，下旋翼向左的反作用力矩不斷增大，機頭逐步順時針偏轉，旋翼槳轂中心也隨機身同步順時針轉動；而由于槳葉與旋翼旋轉軸之間通過關節相連，不能與槳轂中心同步轉動，因而順時針旋轉的上旋翼槳葉出現了相對槳轂中心的附加后退型擺振，增大了離心激振力與振動能量。其次，上旋翼的力臂大，傳給機身的振動能量大；加之卡型機阻尼特性差，導致前6s內振動能量逐漸接近阻尼，處于小幅臨界振動狀態。

3)振動發散：由于共振運動的非線性特點，小幅振動中可能因某個原因阻尼減小，致使由臨界狀態發散，演變為共振。

4 對預防卡型機艦面共振的探討

由于艦面共振誘因與事故鏈的環節都較多，加之卡型機艦面共振特性相對較差，因而其預防措施也涉及人、機、環多個方面。

4.1 加強兩個振動系統相關部件的維護，奠定預防基礎

兩個振動系統相關部件處于正常狀態，是避免艦面共振的基礎。而直升機振動源、振動類型多，海上環境等都對部件壽命產生不利影響。為此，應通過日常檢查、維護，重點保證起落架(充填壓力、充油)、減擺器的阻尼性能，符合設計要求；垂直關節連接牢靠，無間隙、無變形；靜態摩擦力應符合規定；緩沖支柱內高、低壓腔的充氣壓力應符合規定；輪胎充氣壓力應符合規定(須隨環境、氣溫調整)。

其次，由于旋翼槳葉外形及拉桿、調整片等部件異常往往牽一發動全身，引起直升機狀態變化，因而還應按規定做好旋翼打錐體工作，并需注意檢查、維護上述部件，以避免出現旋翼脫錐。

4.2 針對艦機適配性特點，采取針對性預防措施

兩起卡型機的事故都證明，接艦狀態異常，是艦面共振的直接誘因。而接艦狀態與艦機適配性直接相關。據飛行員反映，在復雜海況下，卡型機著艦狀態不穩的現象多出現在甲板較低、外形規則的某類載艦上。除本次事故外，表1中的三次典型情況也充分證明了這一特點。因而提高其艦機適配性具有現實緊迫性。

表1 不同載艦甲板對卡型機著艦狀態影響的典型事例

直升機著艦的艦機適配性主要涉及艦型和甲板合成風速、風向。其特點需要借助于理論分析、甲板渦流特性試驗及實測。目前，國內的工作仍不能滿足需要，因而可借助實踐經驗提高艦機適配性。

4.3 著眼三個階段正確操縱處置，把握預防最后環節

實踐證明，直升機接艦狀態不穩與接艦重是艦面共振的直接誘因。但著艦過程的各階段又相互關聯，同時還受甲板渦流影響。因此，從預防艦面共振的角度，著艦過程應滿足：平穩垂直下降、輕穩接艦、接艦后視情操縱。

4.3.1 垂直下降中的正確操縱

首先，復雜海況著艦，機組要從心理、方法上隨時做好復飛準備。艦艇縱橫搖較大或艦尾氣流使直升機狀態不穩時，若條件不具備，應從飛行甲板退出，在艦尾等待平穩期再次著艦。

其次，直升機下降搖晃時修正動作不宜大，應及時回桿。因為，直升機有一定的橫側穩定性，且直升機搖晃時艦面效應的變化也起到穩定姿態的作用；另一方面，前飛速度較小時，直升機的操縱反應較慢，如果修正量過大，可能加劇狀態發散。

再次，保持有利的接艦姿態。一是應盡可能輕穩接艦。須認識到，直升機在下降中出現搖晃時，快著艦不等于重著艦，快放總距不等于粗放總距，即放總距應及時、柔和，接艦瞬間可視情稍補點總距，以盡量減小接艦時的下降率。二是應注意避免“機輪依次重接艦”。由于直升機接艦下降中搖晃時，下降率容易大，在俯仰穩定力矩作用下機頭必然下俯，因而一側主輪接艦前后應適量帶桿，避免隨后前輪重接艦。

4.3.2 接艦后視情正確處置

第一，如果接艦重，直升機狀態明顯不穩，但艦搖晃較小，可先將發動機置于慢車狀態，并關飛控系統，再系留直升機。

盡管目前卡型機著艦后是在“自動”狀態進行系留的，這里有直升機接艦后艦船劇烈搖晃時修正或緊急離艦的考慮，但在“慢車”狀態系留有三個優點：一是有關研究結果表明，旋翼拉力增加，起落架的壓縮量減小，機體的滾轉剛度和阻尼減小，艦面共振的動不穩定轉速區域增大，不利于預防艦面共振[1]；二是慢車狀態發動機功率小，共振能量小；三是由于直升機在地面傾斜后，旋翼拉力起不穩定作用，重力起穩定作用；慢車狀態旋翼拉力與其不穩定作用較自動狀態小，直升機搖晃幅度也小，加之艦搖晃較小這一前提條件，已沒有緊急離艦的必要。將發動機至于慢車狀態系留，既有利于預防艦面共振，也避免了采用立即關車的方法可能對發動機造成的損傷，因而是預防艦面共振一個較實用的措施。其次，直升機振動時，飛控系統不斷調整以穩定姿態，很易在調整中對旋翼產生激勵，誘發艦面共振。

第二，如果發現振動有明顯增大趨勢，應果斷關車，并上提總距。

5 結束語

1)分析表明，卡型機的艦面共振特性較差；且在復雜海況下降落于低甲板載艦時狀態不穩，不利于預防艦面共振。鑒于卡型機的護航、演習等任務日益繁重，有效預防艦面共振是卡型機面臨的一個重要問題。

2)卡型機艦面共振的預防措施涉及到艦機適配性、直升機維護、著艦操縱策略等諸多問題。其中，增強艦機適配性是根本性對策。

3)在卡型機艦機適配性難以完全滿足的現狀下，如果以較大側風降落于低甲板的載艦，且艦搖晃不明顯，在“慢車”狀態系留直升機，是預防艦面共振一個較實用的措施。

4)從已發生的兩起卡型機艦面共振事故看，艦的縱橫搖(國內事故分別為0.3°、1°)及對共振影響可忽略，因而這兩起事故實際上仍屬于地面共振。因此，卡型機地面共振預防也不容忽視。